研究人员提出一种基于微纳工程化Cu阵列的固相键合方法，旨在提升宽禁带半导体封装中的界面冶金质量与机械可靠性。通过选择性电沉积制备具有纳米级表面起伏的微米尺度Cu阵列，并在阵列中引入铜纳米颗粒（CuNPs），形成兼具“纳米级表面能匹配”与“微米级结构增强”的烧结接头。阵列表面的纳米起伏利用吉布斯-汤姆逊效应降低原子迁移势垒，加速界面扩散并形成致密冶金层；三维Cu阵列结构通过几何锚定与烧结基体形成机械互锁，显著提升接头剪切强度。阵列与嵌入纳米颗粒形成晶粒尺寸呈梯度的纳米晶（GNC）结构，通过阻碍位错运动与促进塑性变形平衡强度与韧性。这种跨尺度结构协同策略突破了传统烧结技术的界面冶金动力学失配瓶颈，为大功率电子器件的高效可靠封装提供了可扩展的解决方案。
该研究针对宽禁带半导体器件在极端热循环下的互联稳定性与紧凑封装散热需求，聚焦传统瞬态液相（TLP）键合依赖低熔点金属导致金属间化合物（IMCs）劣化性能、常规纳米颗粒烧结存在纳米颗粒自烧结与基板界面扩散动力学失配的核心问题，由哈尔滨工业大学（深圳）集成电路学院的研究人员开展。研究人员开发了结合双连续微乳液（BME）软模板选择性电沉积Cu阵列与铜甲酸盐原位分解制备CuNPs的复合工艺，构建了Cu阵列/CuNPs/Cu阵列的三明治结构，在大气环境下250°C、15MPa条件下实现无IMCs的均质Cu-Cu键合。结果表明，该结构通过三维机械互锁与梯度纳米晶协同作用，使接头剪切强度较平面基板提升83.4%，达到53.2MPa，断裂模式从界面脆性断裂转变为烧结体内混合韧脆断裂。研究通过分子动力学（MD）模拟揭示了纳米起伏表面通过吉布斯-汤姆逊效应将界面原子扩散系数提升2.2倍的机制，证实双向原子扩散显著强化了冶金结合。该技术避免了光刻与高真空工艺，为下一代功率电子器件提供了可规模化应用的低温高效封装范式。论文发表于《Journal of Materials Research and Technology》。
关键技术方法包括：采用双连续微乳液（BME）软模板限域生长的选择性电沉积技术制备微纳Cu阵列；利用铜(II)甲酸盐水热分解原位合成平均粒径4.1nm的铜纳米颗粒（CuNPs）；通过精密钢网印刷构建Cu阵列/CuNPs/Cu阵列三明治结构，在大气环境中实施250°C、15MPa的两阶段压力辅助烧结；结合三维光学轮廓仪、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）与电子背散射衍射（EBSD）表征微观结构与晶粒取向；采用Dage 4000 plus焊点剪切测试仪测定接头力学性能；基于LAMMPS软件开展嵌入原子法（EAM）势函数的分子动力学（MD）模拟，量化曲率对原子扩散与烧结颈形成的影响。
研究结果如下：
1. 材料与微观结构表征：选择性电沉积制备的Cu阵列直径5–15μm，表面粗糙度均方根（RMS）达12.98μm，呈现微米形貌起伏叠加纳米纹理的分级结构，有效抑制边缘奇异效应导致的生长不均。铜(II)甲酸盐在200°C以下热分解生成平均粒径4.1nm的单晶/多晶混合CuNPs，晶粒界为高活性扩散通道。Cu阵列基板的烧结接头孔隙率较平面基板降低2.47%，阵列柱体贯穿烧结体形成榫卯式机械互锁。
2. 梯度纳米晶结构演化：电子背散射衍射（EBSD）分析显示，平面基板接头为平均晶粒476.2nm的均匀纳米晶；Cu阵列接头呈现双峰晶粒分布，平均晶粒491.5nm，包含0–1μm纳米晶与1–4μm微晶的梯度纳米晶（GNC）结构。该结构通过高密度晶界阻碍位错运动，同时粗晶区域容纳位错增殖与塑性变形，几何必需位错（GNDs）在晶界梯度处产生背应力场强化效应。
3. 力学性能与断裂行为：Cu阵列接头剪切强度达53.2MPa，较平面接头的29.0MPa提升83.4%。平面接头沿基板-烧结体界面发生脆性断裂，无明显塑性变形；Cu阵列接头断裂完全发生于烧结体内部，Cu柱呈现弯曲、拔出现象与缩颈特征，表现为以韧性断裂为主的混合断裂模式。三维机械互锁通过应力重分布迫使裂纹偏转至烧结体，吸收断裂能。
4. 热力学与原子尺度机制：基于吉布斯-汤姆逊效应推导表明，Cu阵列纳米起伏的曲率半径较平面基板小三个数量级，表面化学势差提升超千倍，显著增强烧结驱动力。分子动力学（MD）模拟显示，正弦曲面基板上的CuNPs烧结颈形成时间（115ps）早于平面基板（120ps），界面原子扩散系数达5.8×10-10 m2 /s，较平面基板（2.6×10-10 m2 /s）提升2.2倍。曲面接触区产生局部应力集中与高活性位点，诱导孪晶界形成并促进基板-颗粒双向原子扩散，突破传统单向扩散限制。
讨论与结论部分指出，该研究开发的瞬态固相键合策略通过微纳表面工程与跨尺度结构设计，成功解决了宽禁带半导体封装的机械可靠性不足与界面冶金失效问题。微米阵列作为三维机械锚定结构，将应力从界面局域集中转化为整体均匀分布；梯度纳米晶结构优化强度-韧性匹配；纳米起伏表面通过吉布斯-汤姆逊效应加速双向原子扩散。研究建立了可扩展的先进封装技术路径，通过融合“微米阵列结构增强”与“纳米表面烧结强化”，克服了传统键合技术依赖低熔点金属或高温工艺的局限，为低温、高效、可靠的功率电子封装提供了新范式。
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